放大电路的基本原理

第2章放大电路的基本原理

本章共10学时

知识点：放大电路的组成及实现放大作用的基本原理、放大电路的两种基本分析方法，并利用它们分析单管共射放大电路的静态工作点、电压放大倍数和输入、输出电阻；分压式工作点稳定电路的工作原理和计算方法，放大电路的三种基本组态的工作原理和特点，场效应管放大电路的特点和分析方法，多级放大电路的三种耦合方式，及多级放大电路的动态性能指标。

本章内容：

本章着重讨论放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种放大电路。从共发射极电路入手，再推及其他两种电路，并将图解法和小信号模型法，作为分析放大电路的基本方法。

主要内容:

1．半导体三极管的结构及工作原理，放大电路的三种基本组态

2．静态工作点Q的不同选择对非线性失真的影响

3．用H参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标

4．共集电极电路和共基极电路的工作原理

本章重点

1．掌握共发射极放大电路、分压式偏置电路的工作原理和静态工作点估算；

2．了解温度对静态工作点的影响；

3．掌握共发射极放大电路的图解分析法和估算法。

本章难点

1．共发射极电路的工作原理。

2．估算静态工作点，电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

3．分压式偏置电路的工作原理。

2.1 放大的概念

放大器：把微弱的电信号放大为较强电信号的电路。基本特征是功率放大。

放大对象：微弱的变化的电信号。

放大的本质：实现能量的控制，即需要在放大电路中另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。

扩音机是一种常见的放大器，如图2.1.1所示。声音先经过话筒转换成随声音强弱变化的电信号；再送入电压放大器和功率放大器进行放大；最后通过扬声器把放大的电信号还原成比原来响亮得多的声音。

图2.1.1 扩音机框图图2.1.2 放大器的框图

2.2 单管共发射极放大电路

单管共射小信号放大器：工作频率在20

Hz到20 kHz内、电压和电流都较小的单管放

大电路。

2.2.1 电路的组成

1．电路组成

单管共发射极放大电路如图2.2.1所示。

图2.2.1 单管共发射极放大电路2．元件作用

V BB——基极电源。通过偏置电阻R b，保

证发射结正偏。

V CC——集电极电源。通过集电极电阻R C，保证集电结反偏。

R b——偏置电阻。保证由基极电源G B向基极提供一个合适的基极电流。

R C——集电极电阻。将三极管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化。

C1、C2——耦合电容。防止信号源以及负载对放大器直流状态的影响；同时保证交流信号顺利地传输。即“隔直通交”。

实际电路通常采用单电源供电。

2.2.2单管共发射极放大电路的工作原理

本节定性地分析如图2.2.1所示的单管共射放大电路如何实现放大作用。

设电路能够保证三极管工作在放大区。此时，如果在放大电路的输入加上一个微小的输入电压变化量i u ?，则三极管基极与发射极之间的电压也将随之发生变化，产生BE u ?。因三极管的发射结处于正向偏置状态，故当发射结电压发生变化时，将引起基极电流产生相应的变化，得到B i ?，由于三极管工作在放大区，具有电流放大作用，因此，基极电流的变化将引起集电极电流发生更大的变化，即C i ?等于B i ?的β倍。这个集电极电流的变化量流过集电极负载电阻c R ，使集电极电压也发生相应的变化。由图2.2.1可见，当c i 增大时，c R 上的电压降也增大，于是CE u 将降低，因为c R 上的电压与CE u 之和等于CC V ，而这个集电极直流电源是恒定不变的，所以CE u 的变化量CE u ?与C i ?在c R 上产生的电压变化量数值相等而极性相反，即c C CE

R i u ?-=?。在本电路中，集电极电压CE u 即等于输出电压O u ，故

O u =CE u ?。

小结：本节主要介绍了共射极放大电路简单工作原理。 作业：题 2-1

2.3 放大电路的主要技术指标

放大器的框图如图2.3.1所示。左边是输入端，外接信号源，v i 、i i 分别为输入电压和输入电流；右边是输出端，外接负载，v o 、i o 分别为输出电压和输出电流。

一、放大倍数 1．电压放大倍数 i

o

V V A v =

(2.3.1) 2．电流放大倍数

i

o

I I A i =

(2.3.2)

二、最大输出幅度

表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压，一般指电压的有效值，以om U 表示。也可用峰—峰值表示，正弦信号的峰—峰值等于其有将近值的22

倍。

三、非线性失真系数

由于放大器件输入、输出特性的非线性，因此放大电路的输出波形不可避免地将产生或多或少的非线性失真。当输入单一频率的正弦波信号时，输出波形中除基波外，还将含有一定数量的谐波。所有谐波总量与基波成分之比，定义为非线性失真系数，符号为D ，即

1

242322.....

U U U U D +++=

(2.3.3)

式中1U 、2U 、3U 等分别表示输出信号中基波、二次谐波、三次谐波等的幅值。

四、输入电阻

从放大电路的输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻，见图2,3.1。此处只考虑中频段的情况，故从放大电路输入端看，等效为一个纯电阻i R 。输入电阻i R 的大小等于外加正弦输入电压与相应的输入电流之比，即

i

i i I U

R = (2.3.4)

输入电阻这项技术指标描述放大电路对信号源索取电流的大小。通常希望放大电路的输入电阻愈大愈好，i R 愈大，说明放大电路对信号源索取的电流愈小。

五、输出电阻

输出电阻是从放大电路的输出端看进去的等效电阻，见图2.3.1。在中频段，从放大电

路的输出端看，同样等效为一个纯电阻o R 。输出电阻o R 的定义是当输入端信号短路，输出

端负载开路时，外加一个正弦输出电压o U ，得到相应的输出电流o

I ，二者之比即是输出电阻o R ，即

o

o o I U

R = ( 2.3.5)

实际工作中测试输出电阻时，通常在输入端加上一个固定的正弦交流电压i U ，首先使负载开路，测得输出电压为o U ' ，然后接上阻值为L R 的负载电阻 ，测得此时的输出电压为o

U ，根据图2.3.1的输出加路可得到

L o

o o R U U

R )1(-'= (2.3.6)

输出电阻是描述放大电路带负载能力的一项技术指标。通常希望放大电路的输出电阻愈小愈好。o R 愈小，说明放大电路的带负载能力愈强。

六、通频带BW

由于放大器件本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着信号频率的变化而变化。一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略，故放大倍数基本不变，如图2。3。2所示。通常将放大倍数在高频和低频段分别下降到中频段放大倍数

2

1

时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带，用符号BW 表示，如图2.3.2所示。

七、最大输出功率与效率

放大电路的输出功率，是指在输出信号不产生明显失真的前提下，能够向负载提供的最大输出功率，通常用符号om P 表示。

放大的本质是能量的控制，负载上得到的输出功率，实际上是利用放大器件的控制作用将直流电源的功率转换成交流功率而得到的，因此就存在一个功率转换的效率问题。放大电路的效率η 定义为最大输出功率om P 与直流电源消耗的功率v P 之比，即

v

om

P P =η (2.3.7)

2.4 放大电路的基本分析方法(上)

2.4.1 直流通路与交流通路

根据叠加原理可将电路中的信号分解为：直流信号和交流信号。直流信号通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。

直流通路：当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。直流通路用于确定静态工作点。

直流通路画法：①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但保留其内阻。

交流通路：在输入信号作用下交流信号流经的通路。交流通路用于计算电路的动态性能指标。

交流通路画法：①容量大的电容视为短路；②直流电源视为短路。

图2.4.1单级共射放大电路

根据直流通路与交流通路，可进行静态分析和动态分析。

静态：输入信号为零时，电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态：输入信号不为零时，电路的工作状态，也称交流工作状态

例：画出图所示电路的直流通路和交流通路。设所有电容对交流信号均可视为短路。

解：将电容开路、变压器线圈短路即为直流通路，各电路的交流通路如图所示；

2.4.2 静态工作点的近似估算

静态：无信号输入(u i 0)时电路的工作状态。

1．静态工作点Q

如图2.4.1所示，静态时晶体管直流电压U BE 、U CE 和对应的I B 、I C 值。分别记作U BEQ 、I BQ 、U CEQ 和I CQ 。 BEQ

BQ b

CC V U I R -=

(2.4.1)

BQ CQ I I β= (2.4.2)

CEQ CC CQ c U V I R =-? (2.4.3)

U BEQ ：硅管一般为0.7V ，锗管为0.3V 。

例：在图2.4.1所示单级放大器中，设Ω=Ω==k 220k 2V 12b c G R R V ，，，β 60。

求放大器的静态工作点。

解: 从电路可知，晶体管是NPN 型，按照约定视为硅管，则V BEQ 0.7V ，则

V 6k 2m A 3V 12m A

3A 5060A

51k 220V

70V 12c CQ G CEQ BQ CQ b BEQ

G BQ =Ω?-=-==μ?==μ≈Ω

?-=

-=

R I V V I I R V V I β 2.4.3 图解法

图解法：利用晶体管特性曲线，通过作图分析放大器性能。 一、图解法分析静态

首先，画出直流通路；在输入特性曲线上，作出直线U BE =V CC －I B R b ，两线的交点即是Q 点，得到I BQ 。在输出特性曲线上，作出直流负载线 U CE =V CC －I C R C ，与I BQ 曲线的交点即为Q 点，从而得到V CEQ 和I CQ 。

图2.4.2 放大器的输出回路

图2.4.3 静态工作点的图解分析

静态工作点Q 的位置不同，所对应的CEQ U 、CQ I 也不同。

例： 电路如图（a ）所示，图（b ）是晶体管的输出特性，静态时U B E Q ＝0.7V 。利用图解法分别求出R L ＝∞和R L ＝3k Ω时的静态工作点

图P2.4

解：空载时：I B Q ＝20μA ，I C Q ＝2mA ，U C E Q ＝6V ；最大不失真输出电压峰值约为5.3V ，有效值约为3.75V 。

带载时：I B Q ＝20μA ，I C Q ＝2mA ，U C E Q ＝3V ；最大不失真输出电压峰值约为2.3V ，有效值约为1.63V 。

如图所示。

小结：本节主要介绍了静态工作点的估算法和图解分析法 作业：2-4

2.4 放大电路的基本分析方法(下)

二、图解分析动态

1．交流负载线

电路如图2.4.4(a)，交流通路如图2.4.5(b)所示。

图2.4.4 放大器交流负载电阻示意图 图2.4.5 放大倍数的图解分析 可见，交流负载电阻为

L

c L

c L

R R R R R +='

过输出特性曲线上的Q 点做一条斜率为-1/(R L ∥R c )直线，该直线即为交流负载线。交流负载线是有交流输入信号时Q 点的运动轨迹。R 'L = R L ∥R c ，是交流负载电阻。

2. 输入交流信号时的图解分析

通过图解分析，可得如下结论： （1）||o CE C B BE i v v i i v v →→→→→ （2）v o 与v i 相位相反；

（3）可以测量出放大电路的电压放大倍数；

（4）可以确定最大不失真输出幅度。 三、图解法的应用

（一）分析非线性失真

/V

i /mA 截止区

1．饱和失真

如果静态工作点接近于1Q ，在输入信号的正半周，管子将进入饱和区，输出电压u ce 波形负半周被部分削除，产生“饱和失真”。

2．截止失真

如果静态工作点接近于2Q ，在输入信号的负半周，管子将进入截止区，输出电压u ce

波形正半周被部分削除，产生“截止失真”。

3．非线性失真

非线性失真是由于管子工作状态进入非线性的饱和区和截止区而产生的。 (二)估算最大输出幅度

从图可见，为了获得幅度大而不失真的交流输出信号，放大器的静态工作点应设置在负载线的中点Q 处。

（三）对静态工作点的影响

2.4.4微变等效电路法

如果研究的对象仅仅是变化量，而且信号的变化范围很小，就可以用微变等效电路来处理三极管的非线性问题。

由于在一微小的工作范围内，三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的，因此可以用一个等效的线性电路来代替这个三极管。所谓等效就是从线性电路的三个引出端看进去，其电压、电流的变化关系和原来的三极管一样。这样的线性电路称为三极管的微变

等效电路。

用微变等效电路来代替三极管之后，具有非线性元件的放大电路就转化为我们熟悉的线性电路了。

一、简化的h 参数微变等效电路 1、三极管的等效电路

首先来研究共射接法时三极管的输入、输出特必。从图2.4.10（a ）中可见，在输入特性Q 点附近，特性曲线基本上是一段直线，即可认为B i ?与BE u ?成正比，因而可以用一个等效电路be r 来代表输入电压和输入电流之间的关系，即

B

BE

be i u r ??=

再从图2.4.10（b ）中的输出特性看，假定在Q 点附近特性曲线基本上是水平的，即C i ?与CE u ?无关，而只取决于B i ?；在数量关系上，C i ?比B i ?大β倍；所以从三极管的输出端看进去，可以用一个大小为β

B i ?的恒流源来代替三极管。但是，这个电流源是一个受

控源而不是独立电流源。受控源β

B i ?实质上体现了基极电流B i 对集电极电流

C i 的控制作

用。这样，就得到了图2.4.11（b ）中的微变等效电路。在这个等效电路中，忽略了CE u 对

C i 的影响，也没有考虑CE u 对输入特性的影响，所以称之为简化的h 参数微变等效电路。

严格地说，从三极管的输出特性看，C i 不仅与B i 有关，而且当CE u 增大时，C i 也随之稍有增大；从输入特性看，当CE u 增大时，B i 与BE u 之间的关系曲线将逐渐右移，互相之间略有不同。但是实际上在放大区，三极管的输出特性近似为水平的直线，当CE u 变化时可以认为C i 基本不变；在输入特性上，当CE u 大于某一值时，各条输入特性曲线实际上靠得很近，基本上重合在一起，因此，忽略CE u 对输入特性和输出特性的影响，带来的误差很小。在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程来说已经足够了。

以下利用简化的微变等效电路来计算单管共射放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。

1．用图2.4.11（b ）的等效电路代替单管放大电路中的三极管，然后画出放大电路其

余部分的交流通路，设1C 、2C 容量很大，可以看成交流短路，则单管共射放大电路的微变等效电路如图2.4.12（b ）所示。

在求放大电路的电压放大倍数u

A ，以及输入和输出电阻i R 和o R 时，根据定义，它们都决定于电压和电流变化量之间的比例关系。现在假设加上一个正弦输入电压，图中i U 、o U 、b I 和c

I 等分别代表有关电压或电流的正弦相量。 根据等效电路的输入回路可求得

be

b i r I U = 由输出回路可知

b

c I I β= L

c o

R I U '-= 其中L c L R R R //=' 所以be L be

b L

c i o u r R r I R I U U A '-

='-==β (2.4.5) 从图2.4.12（b ）还可以求得基本放大电路的输入电阻i R 和输出电阻o R 分别为

b be i R r R //= (2.4.6)

c o R R = (2.4.7)

2．be r 近似估算公式

由式2.4.5和2.4.6可知，电压放大倍数u A 和输入电阻i R 均与be r 有关。从原则上说，be r 可以从输入特性求得，但三极管的输入特性曲线在一般手册中往往并不给出，而且也不

大容易测准，所以需要找出一个简便的估算公式。

图2.4.13是三极管的结构示意图。从图中可以看出，b 、e 之间的电阻是由三部分组成的：基区的体电阻b b r '，基射之间的结电阻b e r ''以及发射区的体电阻e r '。对于不同类型的三极管，b b r '的数值有所不同。一般低频、小功率在极管的b b r '约为几百欧。由于发射区多子的浓度很高，因此其体电阻e r '较小，约为几欧，与b e r ''相比，一般可以忽略。所以，主要应找出基射之间的电阻b e r ''的近似公式。

根据三极管方程可知，流过PN 结的电流E i 与PN 结两端电压BE u 之间存在以下关系：

)1(-=T B E U u S E e I i

式中S I 为反向饱和电流，T U 为温度的电压当量，常温时mV U T 26=。三极管工作在

放大区时，发射结正向偏置，BE u 通常大于0。1V ，则1>>T

B E U u e

，于是上式可简化为

T B E U u S E

e I i =

将此式对BE u 求导，可得b e r ''之倒数为

T

E U u T S BE E b e U i e U I du di r T B E ≈≈=''1

在静态工作点附近一个比较小的变化范围内，可认为EQ E I i =，则可得

EQ

EQ T b e I I U r 26

≈

=

'' 此式中分子为mV 26，如分母EQ I 的单位为mA ，则上式中求得b e r ''的单位是Ω。

得到b e r ''后，可根据图2.4.13求be r 的近似估算公式。由图可见，流过b b r '的电流是B i ，而流过b e r ''和e r '的电流是E i 。因e r '与b e r ''相比可以忽略，故由图可得

EQ

B

b b B b e E b b B BE

I i r i r i r i u 26)1(β++=+≈'''' 将此式对B i 求导数，可得 EQ

b b B BE be I r di du r 26

)

1(β++≈=

' (2.4.8) 这个表达式就是be r 的近似估算公式。以后，在利用微变等效电路法分析放大电路时，可以根据式2.4.8估算be r 。对于低频、小功率三极管，如果没有特别说明，可以认为式中之b b r '约为300Ω。

由式2.4.8可见，当EQ I 一定时，β愈大则be r 也愈大，而单管共射放大电路的电压放

大倍数be

L u

r R A '-=β ，由此可知，选用β值大的三极管并不能按比例地提高电压放大倍数，

因为在EQ I 相同的条件下，β值大的三极管，其be r 值也相应地较大。但是，由式2。4。8可以看出，当β值一定时，EQ I 愈大则be r 愈小，说明对同一个三极管来说，如果设法调整

静态工作点的位置，适当提高EQ I ，则由于be r 减小，可以得到较大的u

A 。这种办法更

为有效。

（二）等效电路法的步骤

根据以上介绍，可以归纳出利用等效电路法分析放大电路的步骤如下： 1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q 。 2.求出静态工作点处的微变等效电路参数β和be r 。

3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。

4.列出电路方程并求解。 二、微变等效电路法的应用

有些放大电路无法用图法直接求出其电压放大倍数，但可以利用微变等效电路电路法进行分析。

例如，在图2.4.14（a ）电路中，三极管的发射极并不直接接地，而是接入一个电阻c R ，因此不能用图解法求解。以下用微变等效电路法计算它的电压放大倍数和输入、输出电阻、输出电阻。假定1C 、2C 电容量很大，可以认为交流短路，便可得到图2.4.14（b ）所示的等效电路图。

根据图2.4.14（b ）可以列出以下关系式

e

e be b i R I r I U += 其中 b

e I I )1(β+= 所以 ])1([e be b i R r I U β++= 而 L

b L

c o

R I R I U '-='-= β 则电压放大倍数为

e be L

i

o u R r R U U A )1(ββ++'-

== ( 2.4.9)

由式2.4.14看出，引入发射极电阻e R 后，放大电路的电压放大倍数降低了。 在式2.4.9中若满足条件be e

r R >>+)1(β，则该式可简化为

e

L

u R R A '-≈ (2.4.10)

此时电压放大倍数仅决定于L

R '和e R 的比值，而与三极管的参数β、be r 无关。 由图2.4.14（b ）还可求得，放大电路的输入电阻为

b e be i

i i R R r I U

R //])1([β++== ( 2.4.11)

由式2.4.11看出，引入e R 后，输入电阻增大了。

下面分析图2.4.14（a ）电路的输出电阻。根据式2.3.5关于输出电阻的定义，将放大

电路的输入端短路，负载电阻L R 开路，然后外加一个输出电压o

U ，即可得到图2.4.15所示的等效电路。由图很容易看出，如果忽略管子c 、e 之间的内阻ce r ，则输出电阻为

o R =c R (2.4.12)

现在，为了观察e R 后对输出电阻的影响，将ce r 的作用考虑进去，然后利用等效电路来求输出电阻。

小结：本节主要介绍了图解分析法的原理和主要应用介绍了小信号模型分析法基本原理及应用。

作业：2-2 2-3

2.5 工作点的稳定问题

2.5.1 温度对工作点的影响 1． 温度变化对输入特性曲线的影响

V

T T V V T BE BE 30)25(102.2)(0

-=??--=

2．温度变化对β 的影响

温度每升高1℃，β要增加0.5%~1.0%； 3．温度对反向饱和电流CBO I 的影响

)()25(00

T T k T CBO CBO e I I -==

/V

温度T 上升，则输出特性曲线上移 温度T 上升，则输出特性曲线族间距增大

综合上述：

① I CBO 、b 、V BE 随温度T 升高的结果，都集中表现在Q 点电流I C 的增大。 ② 硅管的I CBO 小，温度的变化主要考虑对V BE 和 的影响，。 ③ 锗管的I CBO 大，I CBO 的温度影响对锗管是主要的。

CBO ↑ → I CEO ↑

→ V BE ↓ → I B ↑ → I C ↑

β ↑

2.5.2静态工作点稳定电路 一、电路组成

电路如图2.5.2所示。电路特点是静态工作点比较稳定

1．元件作用

b1R ：上偏置电阻，b2R ：下偏置电阻，e R ：发射极

电阻，e C ：发射极旁路电容。

2．工作原理

基极电压BQ V 由b1R 和b2R 分压后得到，即G b2

b1b2

BQ V R R R V +=

固定。

当环境温度上升时，引起CQ I 增加，导致EQ I 的增加，使e EQ EQ R I V ?=增大。由于EQ BQ BEQ V V V -=，使得BEQ V 减小，于是基极偏流BQ I 减小，使集电极电流CQ I 的增加受到限制，从而达到稳定静态工作点的目的。稳定工作点的过程表示如下：

?

↓↓←↓←↑↑→↑→↑→BEQ BQ CQ EQ EQ CQ V I I V I I T

二、静态与动态分析 1．静态分析

2

12

BQ BEQ

CQ

b BQ CC

CQ EQ BQ b b e

U V I R U V I I I R R R β

-≈

≈=

=

+

()CEQ CC CQ C e U V I R R ≈-+

例：在图2.5.2所示的具有分压式稳定工作点偏置电路的放大器中，R b1=30k Ω，R b2=10k Ω、

R c =2k Ω，R e =1k Ω，V G =9V ，试估算I CQ 和V CEQ 。

解 估算时可认为U BQ 是基极开路时的电压值。

2BQ CC

b1b2EQ BQ BEQ EQ CQ EQ e

CEQ CC CQ c EQ e CC CQ c e 10

9 2.25V

30102.25V 0.7V 1.55V 1.55mA

()

9V 1.55(12)V 4.35V

b R U V R R U U U U I I R U V I R I R V I R R ==?=++=-=-=≈=

==--≈-+=-+=

2．动态分析

图2.5.2 分压式工作点稳定电路

26()

200(1)

()

be E mV r I mA β≈Ω++

电压增益：(//)

o C L u i be

u R R A u r β?

=

=-

输入电阻：12////i b b be R R R r = 输出电阻：C o R R =

若旁路电容C e 去掉则 1．静态分析

2

12

BQ BEQ

CQ

b BQ

CC

CQ EQ BQ b b e

U V I R U V I I I R R R β

-≈≈=

=

+

()CEQ CC CQ C e U V I R R ≈-+

2．动态分析